KR101828279B1 - Nano sensor for early diagonisis of lung cancer using surface enhanced raman scattering and the method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서 및 그 방법에 관한 것으로, 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서에 있어서, 라만 산란 신호를 얻기 위하여 검체에 레이저 광을 조사하는 역할을 수행하는 레이저 조사 장치; 검체에서 나오는 라만 산란 신호를 증폭시키는 금속 나노입자를 실리콘 웨이퍼 상에 고정시킨 나노구조 칩; 검체에서 나오는 라만 산란 신호를 받아들이고, 이로부터 스펙트럼을 수득 및 저장하는 역할을 수행하는 분광기; 및 상기 나노구조 칩 상의 검체로부터 나오는 라만 산란 신호에 대한 다변량 분석을 통해 폐암 진단을 수행하는 분석부;를 포함하는 것을 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an early diagnosis of lung cancer using surface enhanced Raman scattering and a method thereof, and a method of irradiating a sample with laser light to obtain a Raman scattering signal in early diagnosis of lung cancer using surface enhanced Raman scattering A laser irradiator for performing laser irradiation; A nanostructured chip in which metal nanoparticles amplifying a Raman scattering signal from a specimen are fixed on a silicon wafer; A spectroscope that receives a Raman scattering signal from the specimen and performs a function of obtaining and storing a spectrum therefrom; And an analysis unit for performing diagnosis of lung cancer through multivariate analysis of Raman scattering signals from the specimen on the nanostructured chip. The present invention relates to an early diagnosis nanomaterial for lung cancer using surface enhanced Raman scattering and a method thereof.

Description

표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서 및 그 방법{NANO SENSOR FOR EARLY DIAGONISIS OF LUNG CANCER USING SURFACE ENHANCED RAMAN SCATTERING AND THE METHOD THEREOF}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to an NANO sensor, and more particularly, to a NANO SENSOR FOR EARLY DIAGNOSIS OF LUNG CANCER USING SURFACE ENHANCED RAMAN SCATTERING AND THE METHOD THEREOF,

본 발명은 표면증강라만분광기술을 통해 폐암을 조기에 검진하기 위한 표면증강라만산란을 이용한 나노센서 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 라만 산란 신호를 증폭하는 역할을 수행하는 금속 나노입자가 증착되어 있는 기판(칩) 상에 검체로서 기관지 세척액을 떨어뜨린 후 레이저 광을 조사하여, 이로부터 나오는 라만 산란 신호를 다변량 분석법을 통해 분석하여 폐암 여부를 조기에 진단할 수 있도록 하는 폐암 진단 센서 및 그 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a nanosensor using surface enhanced Raman scattering for early detection of lung cancer through surface enhanced Raman spectroscopy and a method thereof and more particularly to a nanosensor using metal nano- And a lung cancer diagnosis sensor that analyzes the Raman scattering signal from the irradiated laser light and analyzes it through a multivariate analysis method so that the lung cancer can be diagnosed early on the substrate (chip) And a method thereof.

최근 암 발병률이 꾸준히 증가하고 조기 발견의 중요성이 커지면서, 암을 진단하기 위한 여러 가지 방법들이 제안되고 있다. 특히, 폐암은 폐에서 기원하는 악성 종양을 가리키는 것으로, 폐암으로 인한 사망은 모든 암으로 인한 사망의 약 29%로 모든 암 중에 두 번째로 많은 양을 차지하고 있으며, 폐암으로 인한 사망률을 모든 암 중 가장 높은 것으로 알려져 있다.Recently, as the incidence of cancer steadily increases and the importance of early detection has increased, various methods for diagnosing cancer have been proposed. In particular, lung cancer refers to malignant tumors originating from the lungs, with lung cancer deaths accounting for about 29% of all cancer deaths, accounting for the second highest proportion of all cancers, It is known to be high.

또한, 전체 폐암 환자의 5년 이상 생존률은 17.4%를 넘지 않으며, 폐암을 1기에 조기 발견한 환자의 경우에는 5년 이상 생존률이 78%가 넘으나, 현재 암환자의 1/4만이 폐암 3기 이전에 폐암을 진단 받고 있다.  In addition, the survival rate of patients with lung cancer over 5 years was not more than 17.4%, and the survival rate was more than 78% for patients who had early detection of lung cancer at the first stage. However, I have been diagnosed with lung cancer before.

현재 일반적으로 암을 진단하는 방법으로 X-ray를 이용한 진단 기법, CT(Computed Tomography)를 이용한 진단 기법, 및 연속파(Continuous Wave)를 이용한 진단 기법 등이 있는데, 상기 X-ray를 이용한 진단 기법은, X-ray 광원과 감광판을 배치하고 그 사이에 환자를 위치시켜서, X-ray의 투과력의 차이를 이용하여 인체 내부의 장기들의 이미지를 획득하고 이를 분석하여 암을 진단하는데, 이러한 이미지는 인체 내부의 3차원적인 영상을 2차원적인 필름으로 표현한 것으로, 암 진단의 민감도가 떨어지는 단점이 있다.Currently, diagnostic methods using X-ray, computed tomography (CT), and continuous wave are the diagnostic methods for cancer. Diagnostic techniques using X-ray , An X-ray light source and a photosensitive plate are disposed and a patient is positioned therebetween, and an image of organs inside the human body is acquired using the difference in transmission power of the X-ray, and the cancer is diagnosed by analyzing the image. Dimensional image of the tumor is represented as a two-dimensional film, and the sensitivity of the diagnosis of cancer is low.

한편, CT를 이용한 진단 기법 또한 X-ray 기법과 같이, X-ray의 투과력의 차이를 이용하는 것으로, 인체를 스캔하여서 수 많은 단층 영상을 획득하기 때문에, 환자가 일반 X-ray 보다 5배 내지 10배에 달하는 방사선에 노출된다는 단점이 있다.On the other hand, the diagnostic method using CT also uses X-ray diffraction power difference like X-ray technique. Since the human body is scanned to acquire many tomographic images, the patient is 5 to 10 times Which is exposed to radiation.

또한, 연속파(Continuous Wave)를 이용한 진단 기법은, X-ray가 아닌 연속파의 진폭과 위상을 측정하여 폐암 여부를 진단하는 것으로, 폐암 진단을 위해 분석이 요구되는 주파수 대역에서 주파수의 스윕(sweep)이 필요하기 때문에 송수신 회로 및 그와 연관된 하드웨어의 구성이 복잡하다는 단점이 있다.In addition, the continuous wave diagnosis method is to diagnose lung cancer by measuring the amplitude and phase of the continuous wave, not the X-ray. In order to diagnose lung cancer, a frequency sweep is performed in a frequency band where analysis is required. It is disadvantageous in that the configuration of the transmission / reception circuit and the hardware associated therewith is complicated.

상기와 같은 실정에 따라, 보다 빠르고 높은 민감도를 가지며 인체에도 무해한 새로운 암 진단 방법이 연구 개발되고 있다. 그 중 본 발명은 표면증강라만분광기술을 통해 폐암을 조기에 검진하는 데 관한 것이다. According to the above-mentioned circumstances, a new cancer diagnosis method which is faster, has higher sensitivity and is harmless to the human body is being researched and developed. Among them, the present invention relates to early detection of lung cancer through surface enhanced Raman spectroscopy techniques.

본 발명이 속하는 기술분야의 종래기술로서, 한국공개특허 제10-2012-0087051호(2012.08.06.)는 생체 표지자(biomarker)와 표면증강라만산란 입자(surface-enhanced Raman scattering dots; SERS dots)를 이용하여 질병을 정확하고 신속하게 판별/진단하는 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 표면증강라만산란 입자에 화학적/생물학적 태그(tag)를 붙이고 이것과 질병의 생체 표지자를 표적지향적으로 결합시키고, 광학적 이미징(imaging) 기법으로 그 이미지를 획득하여 질병을 진단/판별하는 방법에 관한 기술이 기재되어 있다. Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2012-0087051 (Aug. 6, 2012) discloses a biomarker and surface-enhanced Raman scattering dots (SERS dots) as a conventional technique of the present invention. More particularly, the present invention relates to a method for attaching a chemical / biological tag to a surface enhanced Raman scattering particle and biomarker of the disease in a target-oriented manner, Techniques for acquiring images thereof by optical imaging techniques to diagnose / discriminate diseases are described.

그러나, 상기 선행기술은 SERS 신호를 얻음으로써 질병을 진단하는 데 있어서, 대부분의 SERS 관련 기술과 마찬가지로 생체 표지자를 라만 산란 입자에 결합시키는 방법을 사용하고 있어 진단 과정이 복잡한 문제가 있었다.However, in the prior art, as in most of the SERS-related technologies, a method of binding a biomarker to Raman scattering particles is used to diagnose a disease by obtaining a SERS signal, which complicates the diagnosis process.

또한, 한국공개특허 제10-2015-0036345호(2015.04.07.)는 광섬유 라만 분광법을 이용하는 내시경검사로 실시간 암 진단과 관련된 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 레이저 광원, 분광기 및 광섬유 프로브를 포함하고 레이저 광원으로부터 광을 표적에 투과시키고 산란 광을 상기 분광기에 복원시키며, 상기 방법은 레이저 광원으로부터 광을 공지된 스펙트럼을 갖는 표준 표적에 투과시키고, 표준 표적으로부터 산란 광의 검정 스펙트럼을 기록하고, 공지된 스펙트럼과 검정 시스템을 비교하고 전달 함수(transfer function)를 발생시킨 다음 상기 전달 함수를 저장하는 단계를 포함하는 방법이 기재되어 있다. Korean Patent Laid-Open No. 10-2015-0036345 (Apr. 05, 2015) relates to a method relating to real-time cancer diagnosis by an endoscopic examination using an optical fiber Raman spectroscopy, and more particularly, to a method of diagnosing a cancer by using a laser light source, a spectroscope, And transmitting the light from the laser light source to a target and restoring the scattered light to the spectrometer, the method comprising: transmitting light from a laser light source to a standard target having a known spectrum; recording a black spectrum of the scattered light from a standard target; Comparing the known spectrum with a calibration system, generating a transfer function, and then storing the transfer function.

상기 선행기술은 내시경을 사용하여 폐 안에서 직접 라만 산란 신호를 얻어 이를 분석하여 암을 진단하는 방법으로, 상기 내시경의 한계로 인해 SERS 신호가 아닌 일반 라만 신호를 얻어 암을 진단하기 때문에, 진단의 정확도가 떨어지는 문제점이 있었다.The prior art is a method of diagnosing cancer by analyzing Raman scattering signals obtained directly from the lungs using an endoscope and diagnosing cancer by obtaining a general Raman signal instead of the SERS signal due to the limit of the endoscope, .

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 창작된 것으로, 실리콘 웨이퍼 상에 금, 은 또는 구리 금속 나노입자를 고정시킨 기판에, 기관지 세척액을 떨어뜨린 후, 레이저 광을 조사하여 상기 기판으로부터 라만 산란 신호를 수집하여 스펙트럼을 수득하고, 다변량 분석 통해 폐암 진단을 수행하는 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서 및 그 방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다. The present invention has been made in order to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and a method for manufacturing a semiconductor device in which a bronchial washing liquid is dropped on a substrate having gold, silver or copper metal nanoparticles fixed on a silicon wafer, And to provide a method for early detection of lung cancer using the surface enhanced Raman scattering, which performs lung cancer diagnosis using multivariate analysis, and a method thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른, 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서는, 라만 산란 신호를 얻기 위하여 검체에 레이저 광을 조사하는 역할을 수행하는 레이저 조사 장치; 검체에서 나오는 라만 산란 신호를 증폭시키는 금속 나노입자를 실리콘 웨이퍼 상에 고정시킨 나노구조 칩; 검체에서 나오는 라만 산란 신호를 받아들이고, 이로부터 스펙트럼을 수득 및 저장하는 역할을 수행하는 분광기; 및 통계처리된 정상인군 및 폐암환자군의 라만산란신호 스펙트럼을 기반으로 설정된 컷오프값에 대하여, 상기 분광기에서 수득한 스펙트럼을 비교분석하여 폐암 진단을 수행하는 분석부;를 포함하며, 상기 검체는 생리 식염수를 이용하여 기관지를 세척한 기관지 세척액인 것을 특징으로 한다.An early detection lung cancer nanosensor using surface enhanced Raman scattering according to an embodiment of the present invention includes a laser irradiation device that performs a role of irradiating a specimen with laser light to obtain a Raman scattering signal; A nanostructured chip in which metal nanoparticles amplifying a Raman scattering signal from a specimen are fixed on a silicon wafer; A spectroscope that receives a Raman scattering signal from the specimen and performs a function of obtaining and storing a spectrum therefrom; And an analyzer for performing lung cancer diagnosis by comparing and analyzing spectra obtained from the spectroscope with respect to a cutoff value set based on the Raman scattering signal spectrum of the statistically treated normal human group and lung cancer patient group, And the bronchial washing solution is a bronchial washing solution obtained by washing the bronchial tissue using the same.

또한, 상기 분석부에서 설정된 컷오프값은, 다수의 정상인군과 폐암환자군의 검체로부터 수득한 상기 스펙트럼의 피크 중 DNA/RNA를 나타내는 피크인 기준 피크를 제외한 피크들에 대하여 주성분 분석(PCA: Principal Component Analysis)를 수행하여 주성분 벡터의 고유치(eigenvalue)을 얻는 단계; 상기 주성분 벡터의 고유치 값이 높은 순으로 순차적으로 선택을 하면서, 주성분 벡터의 고유치 값의 누적치가 설정된 값 이상이 되는 주성분 벡터들을 주성분으로 선택하는 단계; 선택된 상기 주성분과 함께 성별, 나이, 흡연여부 중 적어도 하나 이상의 변수를 더 포함하여 선형판별분석(LDA: Linear Discriminant Analysis)을 수행하는 단계; 상기 선형판별분석에서 얻은 검체의 사후확률을 얻는 단계; 정상인군의 사후확률 분포와 상기 폐암환자군 사후확률 분포로부터 민감도와 특이도가 최대가 되는 컷오프값을 결정하는 단계를 포함하여 결정될 수 있다.In addition, the cut-off value set by the analysis unit is used to calculate peak-to-peak (PCA: Principal Component) values for peaks other than the reference peak, which is a peak representing DNA / RNA in the peaks of the spectrum obtained from a sample of a large number of normal persons and lung cancer patients. Analysis to obtain a eigenvalue of a principal component vector; Selecting principal component vectors that sequentially select eigenvalues of the principal component vectors in descending order and accumulate eigenvalue values of principal component vectors equal to or greater than a predetermined value; Performing Linear Discriminant Analysis (LDA) further including at least one or more variables selected from the group consisting of gender, age and smoking status together with the selected main ingredient; Obtaining a posterior probability of the sample obtained in the linear discriminant analysis; Determining a cutoff value that maximizes sensitivity and specificity from the posterior probability distribution of the normal person group and the posterior probability distribution of the lung cancer patient group.

또한, 상기 분석부는, 상기 분광기로부터 얻은 검체의 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼의 피크 중 DNA/RNA를 나타내는 피크인 기준 피크를 제외한 피크들에 대하여 주성분 분석(PCA: Principal Component Analysis)를 수행하여 주성분 벡터의 고유치(eigenvalue)을 얻는 단계; 상기 주성분 벡터의 고유치 값이 높은 순으로 순차적으로 선택을 하면서, 주성분 벡터의 고유치 값의 누적치가 설정된 값 이상이 되는 주성분 벡터들을 주성분으로 선택하는 단계; 선택된 상기 주성분과 함께 성별, 나이, 흡연여부 중 적어도 하나 이상의 변수를 더 포함하여 선형판별분석(LDA: Linear Discriminant Analysis)을 수행하는 단계; 상기 선형판별분석에서 얻은 사후확율이 컷오프값 보다 높으면 폐암으로 판단하고, 컷오프값 보다 낮으면 정상으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.In addition, the analysis unit may perform Principal Component Analysis (PCA) on the spectrum of the specimen obtained from the spectroscope, except for the reference peak which is the peak indicating the DNA / RNA in the peak of the spectrum, Obtaining an eigenvalue; Selecting principal component vectors that sequentially select eigenvalues of the principal component vectors in descending order and accumulate eigenvalue values of principal component vectors equal to or greater than a predetermined value; Performing Linear Discriminant Analysis (LDA) further including at least one or more variables selected from the group consisting of gender, age and smoking status together with the selected main ingredient; If the posterior probability obtained from the linear discriminant analysis is higher than the cutoff value, it is judged to be lung cancer, and if it is lower than the cutoff value, it is judged that it is normal.

한편, 상기 금속 나노입자는,금 나노입자, 은 나노입자 및 구리 나노입자로 이루어진 군에서 선택되어지는 어느 하나일 수 있으며, 막대 형태, 구겨진 형태, 중심 위성 형태 중 어느 하나 이상의 형태를 가질 수 있다. Meanwhile, the metal nanoparticles may be any one selected from the group consisting of gold nanoparticles, silver nanoparticles, and copper nanoparticles, and may have any one or more of a rod shape, a crumpled shape, and a central satellite shape .

본 발명의 다른 일례는, 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 방법으로, 라만 산란 신호를 증폭시키는 금속 나노입자를 실리콘 웨이퍼 상에 고정시킨 기재 상에 검체를 위치시키는 단계; 상기 기재 상에 위치시킨 검체에 레이저 조사 장치를 이용하여 레이저 광을 조사하는 단계; 상기 레이저 광에 의해 상기 검체로부터 나오는 라만 산란 신호를 분광기를 이용하여 받아들여 스펙드럼을 수득하는 단계; 및 통계처리된 정상인군 및 폐암환자군의 라만산란신호 스펙트럼을 기반으로 설정된 컷오프값에 대하여, 상기 분광기에서 수득한 스펙트럼을 비교분석하여 폐암 진단을 수행하는 단계;를 포함한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for early diagnosis of lung cancer using surface enhanced Raman scattering, comprising: placing a specimen on a substrate on which a metal nanoparticle amplifying a Raman scattering signal is fixed on a silicon wafer; Irradiating the specimen placed on the substrate with a laser beam using a laser irradiation apparatus; Receiving a Raman scattering signal from the specimen by the laser beam using a spectroscope to obtain a spectrum drum; And performing lung cancer diagnosis by comparing and analyzing spectra obtained from the spectroscope with respect to a cutoff value set based on the Raman scattering signal spectrum of the statistically treated normal human group and lung cancer patient group.

또한, 상기 폐암 진단을 수행하는 단계에서, 설정된 컷오프값은, 다수의 정상인군과 폐암환자군의 검체로부터 수득한 상기 스펙트럼의 피크 중 DNA/RNA를 나타내는 피크인 기준 피크를 제외한 피크들에 대하여 주성분 분석(PCA: Principal Component Analysis)를 수행하여 주성분 벡터의 고유치(eigenvalue)을 얻는 단계; 상기 주성분 벡터의 고유치 값이 높은 순으로 순차적으로 선택을 하면서, 주성분 벡터의 고유치 값의 누적치가 설정된 값 이상이 되는 주성분 벡터들을 주성분으로 선택하는 단계; 선택된 상기 주성분과 함께 성별, 나이, 흡연여부 중 적어도 하나 이상의 변수를 더 포함하여 선형판별분석(LDA: Linear Discriminant Analysis)을 수행하는 단계; 상기 선형판별분석에서 얻은 검체의 사후확률을 얻는 단계; 정상인군의 사후확률 분포와 상기 폐암환자군 사후확률분포로부터 민감도와 특이도가 최대가 되는 컷오프값을 결정하는 단계를 포함하는 방법에 의해서 구할 수 있다. In addition, in the step of performing the lung cancer diagnosis, the set cut-off value is determined by performing principal component analysis on peaks except for a reference peak which is a peak indicating DNA / RNA in a peak of the spectrum obtained from a sample of a large number of normal persons and lung cancer patients (PCA: Principal Component Analysis) to obtain a principal component vector eigenvalue; Selecting principal component vectors that sequentially select eigenvalues of the principal component vectors in descending order and accumulate eigenvalue values of principal component vectors equal to or greater than a predetermined value; Performing Linear Discriminant Analysis (LDA) further including at least one or more variables selected from the group consisting of gender, age and smoking status together with the selected main ingredient; Obtaining a posterior probability of the sample obtained in the linear discriminant analysis; Determining a cutoff value that maximizes sensitivity and specificity from the posterior probability distribution of the normal person group and the posterior probability distribution of the lung cancer patient group.

또한, 상기 폐암 진단을 수행하는 단계는, 상기 분광기로부터 얻은 검체의 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼의 피크 중 DNA/RNA를 나타내는 피크인 기준 피크를 제외한 피크들에 대하여 주성분 분석(PCA: Principal Component Analysis)를 수행하여 주성분 벡터의 고유치(eigenvalue)을 얻는 단계; 상기 주성분 벡터의 고유치 값이 높은 순으로 순차적으로 선택을 하면서, 주성분 벡터의 고유치 값의 누적치가 설정된 값 이상이 되는 주성분 벡터들을 주성분으로 선택하는 단계; 선택된 상기 주성분과 함께 성별, 나이, 흡연여부 중 적어도 하나 이상의 변수를 더 포함하여 선형판별분석(LDA: Linear Discriminant Analysis)을 수행하는 단계; 상기 선형판별분석에서 얻은 사후확율이 컷오프값 보다 보다 높으면 폐암으로 판단하고, 컷오프값 보다 낮으면 정상으로 판단하는 단계를 포함할 수 있다.The step of performing the diagnosis of lung cancer may further comprise performing Principal Component Analysis (PCA) on the spectra of the specimen obtained from the spectroscope, with respect to the peaks excluding the reference peak which is the peak indicating the DNA / RNA in the peak of the spectrum To obtain an eigenvalue of a principal component vector; Selecting principal component vectors that sequentially select eigenvalues of the principal component vectors in descending order and accumulate eigenvalue values of principal component vectors equal to or greater than a predetermined value; Performing Linear Discriminant Analysis (LDA) further including at least one or more variables selected from the group consisting of gender, age and smoking status together with the selected main ingredient; Judging lung cancer if the posterior probability obtained from the linear discriminant analysis is higher than the cutoff value and judging normal if the posterior probability is lower than the cutoff value.

본 발명은 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서 및 그 방법에 관한 것으로, 라만 산란 신호를 증폭하는 역할을 수행하는 금속 나노입자가 증착되어 있는 기판(칩) 상에 검체로서 기관지 세척액을 떨어뜨린 후 레이저 광을 조사하여, 이로부터 나오는 라만 산란 신호를 다변량 분석법을 통해 분석하여 폐암 여부를 조기에 진단할 수 있도록 함으로써, 복잡한 전처리 과정이나 고비용의 바이오마커, 항원, 항체 등을 사용하지 않으면서 고감도로 폐암을 진단할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to an early diagnosis of lung cancer using surface enhanced Raman scattering and a method thereof, and more particularly, to a method and apparatus for detecting a lung cancer by irradiating a bronchial washing solution as a specimen on a substrate (chip) on which metal nano- By analyzing the Raman scattering signal from the irradiated laser light by using multivariate analysis method, it is possible to diagnose lung cancer early, and thus, it is possible to perform the preliminary treatment without complicated process, high cost biomarker, antigen, It is possible to diagnose lung cancer with high sensitivity.

또한, 본 발명은 분석에 소모되는 시간이 1분 미만으로, 종래 기술에 비하여 폐암 진단에 소모되는 시간을 크게 감소시킬 수 있게 된다.In addition, since the time spent in the analysis is less than one minute in the present invention, it is possible to greatly reduce the time consumed in diagnosis of lung cancer as compared with the prior art.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서의 구성에 대해 설명하기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서의 나노구조 칩의 구성에 대해 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 칩 상의 금속 나노입자의 형태에 대해 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 금 나노입자의 전자현미경 이미지와 광학 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐암 조기 진단 센서를 사용하여 정상인과 폐암 환자들의 기관지 세정액으로부터 측정된 라만 산란 신호의 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 5에서 나타나는 특징적인 피크들 중 정상 그래프에 대해 암 환자의 그래프의 차이를 정리한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐암 조기 진단 센서의 성능에 대해 나타낸 Reciver Operation Characteristic(ROC) 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정상군과 폐암 환자군의 사후확률(posterior probability)의 분포와 cutoff value에 대해 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 방법에 대해 설명하기 위한 흐름도이다.
FIG. 1 is a view for explaining a configuration of an early detection lung cancer nanosensor using surface enhanced Raman scattering according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining the structure of a nanostructured chip of an early detection lung cancer nanosensor using surface enhanced Raman scattering according to an embodiment of the present invention. FIG.
3 is an exemplary view for explaining the shape of metal nanoparticles on a nanostructured chip according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing an electron microscope image and optical characteristics of gold nanoparticles according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a spectrum of a Raman scattering signal measured from a bronchial washing solution of a normal person and lung cancer patients using a lung cancer early detection sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a graph summarizing the differences of the graphs of the cancer patients with respect to the normal graph among the characteristic peaks shown in FIG.
FIG. 7 is a graph of Recover Operation Characteristic (ROC) illustrating performance of the lung cancer early detection sensor according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram for explaining distribution and cutoff value of a posterior probability of a normal group and a lung cancer patient group according to an embodiment of the present invention.
9 is a flowchart illustrating an early diagnosis method of lung cancer using surface enhanced Raman scattering according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서 및 그 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In order to easily implement the present invention, the surface enhanced Raman scattering- The embodiment will be described in detail.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.In the drawings of the present invention, the sizes and dimensions of the structures are enlarged or reduced from the actual size in order to clarify the present invention, and the known structures are omitted so as to reveal the characteristic features, and the present invention is not limited to the drawings .

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail to avoid obscuring the subject matter of the present invention.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.In addition, since the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서 및 그 방법에 대해 상세하게 설명하도록 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a lung cancer early diagnosis nanosensor and a method thereof using surface enhanced Raman scattering according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서의 구성에 대해 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 1 is a view for explaining a configuration of an early detection lung cancer nanosensor using surface enhanced Raman scattering according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서는, 레이저 조사 장치, 나노구조 칩, 분광기 및 분석부를 포함하여 구성되며, 상기 레이저 조사 장치는 검체로부터 라만 산란 신호를 얻기 위하여 상기 나노구조 칩 상의 검체에 레이저 광을 조사하는 장치이다. An early detection lung cancer nanosensor using surface enhanced Raman scattering according to the present invention comprises a laser irradiation device, a nanostructured chip, a spectroscope and an analysis part, wherein the laser irradiation device comprises a nanostructure And irradiates the specimen on the chip with laser light.

또한, 상기 나노구조 칩은 검체가 위치되며 상기 레이저 광에 의해 검체에서 나오는 라만 산란 신호를 증폭시켜 표면증강라만산란(SERS) 신호로 내보내는 역할을 수행한다.In addition, the nanostructured chip has a sample positioned therein and amplifies a Raman scattering signal emitted from the specimen by the laser beam, and outputs the amplified Raman scattering signal to a surface enhanced Raman scattering (SERS) signal.

상기 분광기는 상기 레이저 광에 의해 나노구조 칩 상의 검체로부터 나오는 증폭된 라만 산란 신호를 받아드리고 이로부터 스펙트럼을 수득 및 저장하며, 상기 분석부는 상기 분광기에서 수득된 스펙트럼에 대한 다변량 분석을 수행하여 폐암 등의 질병 여부를 판단한다. The spectroscope receives the amplified Raman scattering signal from the specimen on the nano-structured chip by the laser light, and obtains and stores a spectrum therefrom. The analyzing unit performs multivariate analysis on the spectra obtained in the spectroscope, Of the disease.

본 발명에서는 상기 다변량 분석으로서, 주성분 분석 기법(Principal Component Analysis: PCA)을 사용한다. 참고로, 상기 주성분 분석 기법은, 하나의 관측 대상에 대한 많은 관측 값(다변량)이 있는 경우 하나 하나의 변수별 또는 2개 변수의 상관관계별로 검토해도 파악이 불가능할 경우, 많은 변수의 분산 방식의 패턴을 간결하게 표현하는 주성분을 원래 변수의 선형결합으로서 추출하는 통계기법이다.In the present invention, Principal Component Analysis (PCA) is used as the multivariate analysis. For reference, the above principal component analysis technique can be applied to a case where there are many observations (multivariate) for one observation object, and when it is impossible to grasp even one by one or two correlations, It is a statistical technique to extract the principal component expressing the pattern concisely as the linear combination of the original variables.

본 발명에서는 라만 산란 신호로부터 얻은 스펙트럼의 피크를 변수로 두고 데이터를 처리한다.In the present invention, data is processed with the peak of the spectrum obtained from the Raman scattering signal as a variable.

이와 같이 처리한 데이터에 대해 선형판별 분석(Linear Discriminant Analysis: LDA)을 실시하여 정상인과 폐암 환자를 구분하는 것이 가능하다. 참고로 상기 선형판별 분석은, 2개 이상의 모집단으로부터의 표본이 섞여 있을 때 각각의 사례가 어느 모집단에 속해 있는지 판별하기 위해 함수를 만들어 판별하는 분석방법이다.It is possible to distinguish normal people from lung cancer patients by performing Linear Discriminant Analysis (LDA) on the data thus processed. For reference, the linear discriminant analysis is an analysis method in which a function is formed to discriminate which population belongs to each case when samples from two or more populations are mixed.

참고로, 본 발명의 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 센서에서는 검체로서, 생리 식염수 등을 이용하여 기관지를 세척한 기관지 세척액을 사용한다.For reference, in the sensor for early detection of lung cancer using the surface enhanced Raman scattering of the present invention, a bronchial washing solution in which a bronchial washing is performed using physiological saline or the like is used as a specimen.

한편, 상기 나노구조 칩에는 검체에서 나오는 라만 신호를 증폭시키기 위한 금속 나노입자가 형성되어 있다. On the other hand, the nanostructured chip is formed with metal nanoparticles for amplifying a Raman signal emitted from a specimen.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서의 나노구조 칩의 구성에 대해 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 2 is a view for explaining the structure of a nanostructured chip of an early detection lung cancer nanosensor using surface enhanced Raman scattering according to an embodiment of the present invention. FIG.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 나노구조 칩은 실리콘 웨이퍼 상에 금속 나노입자가 고정된 형태로서, 상기 금속 나노입자로 이뤄진 나노구조체에 의해 검체에서 나오는 라만 산란 신호가 최대 10억배까지 증폭되게 된다. 상기 라만 산란 신호로 생체 물질의 구성 정보를 알 수 있으며, 본 발명에서는 상기와 같이 나노구조 칩 상의 큰 신호증폭률을 바탕으로 생체 물질의 변화를 고감도로 탐지함으로써 질병의 유무를 판단할 수 있다.As shown in FIG. 2, the nanostructured chip of the present invention is a form in which metal nanoparticles are fixed on a silicon wafer. The nanostructure formed of the metal nanoparticles has a maximum Raman scattering signal of up to one billion Amplified. The Raman scattering signal can be used to determine the configuration information of the biomaterial. In the present invention, the presence or absence of the disease can be determined by detecting a change in the biomolecule with high sensitivity based on the large signal amplification rate on the nano-structured chip.

상기 나노구조 칩은 실리콘 웨이퍼 상에 상온건조 방법 또는 유무기 고정 물질을 이용하여 금속 나노입자를 고정시킨 것으로, 상기 금속 나노입자는 금(Au) 나노입자, 은(Ag) 나노입자 또는 구리(Cu) 나노입자 중 어느 하나 이상을 선택하여 사용할 수 있다. The nanostructured chip is obtained by fixing a metal nanoparticle on a silicon wafer using a room-temperature drying method or an inorganic or organic fixing material. The metal nanoparticle may be a gold (Au) nanoparticle, a silver (Ag) ) Nanoparticles may be selected and used.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노구조 칩 상의 금속 나노입자의 형태에 대해 설명하기 위한 것으로, 이에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 금속 나노입자는 라만 산란 신호의 증폭률을 향상시키기 위한 구조를 갖으며, 이는 막대 형태, 구겨진 형태, 다수개의 나노입자가 하나의 중심부를 향하여 뭉쳐있는 중심 위성 형태 중 어느 하나 이상을 선택할 수 있다. FIG. 3 is a view for explaining the shape of metal nanoparticles on a nanostructured chip according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the metal nanoparticles of the present invention are used to improve the amplification rate of Raman scattering signals Structure, which can be selected from at least one of a rod shape, a crumpled shape, and a central satellite shape in which a plurality of nanoparticles are clustered toward one central portion.

제조예Manufacturing example

1. 막대 형태의 금 나노입자를 형성시킨 나노구조 칩 제조예1. Fabrication of nanostructured chip with rod-shaped gold nanoparticles

먼저, 막대 형태의 금 나노입자는 초기의 구형 금 나노입자에서 성장시키는 방법으로 제조된다. First, the rod-shaped gold nanoparticles are prepared by growing in the early spherical gold nanoparticles.

초기 구형 금 나노입자는 0.1 M의 CTAB 용액 10 mL에 0.1 M의 HAuCl4 25 μL와 0.01 M의 NaBH4 용액 0.6 mL를 넣어주어 2분간 강하게 교반하여 제조한다.The initial spherical gold nanoparticles are prepared by adding 25 μL of 0.1 M HAuCl 4 and 0.6 mL of 0.01 M NaBH 4 solution to 10 mL of 0.1 M CTAB solution and stirring for 2 minutes.

상기와 같이 제조되는 구형 금 나노입자에 성장용액을 첨가하여 금 나노막대를 성장시키며, 상기 성장용액은 0.1 M의 CTAB 용액 99.5 mL에 0.004 M의 AuNO3 1 mL과 0.079 M의 아스코빅산 0.7 mL를 넣어 제조한다.The gold nanorods were grown by adding the growth solution to the spherical gold nanoparticles prepared as described above. The growth solution was prepared by adding 1 mL of 0.004 M AuNO 3 and 0.7 mL of 0.079 M ascorbic acid to 99.5 mL of a 0.1 M CTAB solution .

상기 제조된 성장용액에 초기 구형 금 나노입자 용액 25 μL를 넣어 하루 동안 충격을 주지 않고 두게 되면 용액 내의 구형 금 나노입자는 막대형으로 성장하게 된다.When 25 μL of the initial spherical gold nanoparticle solution is added to the above-mentioned growth solution without impact for one day, the spherical gold nanoparticles in the solution grow into a bar-like shape.

상기와 같이 제조된 금 나노막대는 라만 신호에 영향을 주지 않는 실리콘 웨이퍼 기판 위에 떨어뜨려 상온에서 건조 시키거나 신호왜곡을 일으키지 않는 유무기 고정 물질을 이용하여 고정함으로써, 검체로부터 나오는 라만 산란 신호를 증폭시킬 수 있는 본 발명의 나노구조 칩을 제조한다.The gold nanorods thus prepared are placed on a silicon wafer substrate that does not affect the Raman signal and are dried at room temperature or fixed using an organic or inorganic material that does not cause signal distortion, thereby amplifying the Raman scattering signal from the sample The nanostructured chip of the present invention is produced.

2. 막대 형태의 금 나노입자를 형성시킨 나노구조 칩 제조예2. Fabrication of nanostructured chip with rod-shaped gold nanoparticles

구겨진 형태의 나노입자는 초기 구형 금 나노입자를 고정시키고 성장시키는 방법으로 제조된다. 초기 구형 나노입자는 상용 4-5 nm 금 나노입자를 사용해도 되며 상기의 막대형 금 나노입자 제조시의 초기 구형 금 나노입자와 같은 방법으로 제조된 구형 금 나노입자를 사용하여도 된다.Crumpled nanoparticles are prepared by immobilizing and growing early spherical gold nanoparticles. The initial spherical nanoparticles may be commercially available 4-5 nm gold nanoparticles or may be spherical gold nanoparticles prepared by the same method as the initial spherical gold nanoparticles used in manufacturing the above-mentioned rod-shaped gold nanoparticles.

준비된 초기 구형 금 나노입자는 고정되는 재질에 따라 다른 유무기 고정물질을 사용하여 고정하게 되며 실시예에서 사용된 실리콘 웨이퍼의 경우 아민기나 메캅토기를 가지는 유기물로서 실리콘 웨이퍼를 5mM MPTMS로 12시간동안 처리하여 고정한다.The initial spherical gold nanoparticles prepared are immobilized using other organic or inorganic fixing materials depending on the material to be fixed. In the case of the silicon wafers used in the examples, the silicon wafers were treated with 5 mM MPTMS for 12 hours as an organic substance having an amine group or a mercapto group And fixed.

성장 용액은 0.05 M의 CTAB 용액 40 mL에 0.05 M의 HAuCl4 용액 200 μL와 7 mM의 AgNO3 용액 1.2 mL를 첨가한 후 마지막으로 0.1 M의 아스코빅산 300 μL를 넣어주어 제조한다.The growth solution is prepared by adding 200 μL of 0.05 M HAuCl 4 solution and 1.2 mL of 7 mM AgNO 3 solution to 40 mL of 0.05 M CTAB solution, and finally adding 300 μL of 0.1 M ascorbic acid.

상기의 준비된 초기 구형 나노입자가 고정된 실리콘 웨이퍼를 30도에서 5시간동안 성장 용액에 두게 되면 구겨진 형태로 성장하게 된다.When the prepared initial spherical nanoparticles are immobilized on the silicon wafer for 5 hours at 30 ° C, they grow in a crumpled form.

3. 중심 위성형 금-백금 나노입자를 형성시킨 나노구조 칩 제조예3. Center-top molding gold - Example of nanostructured chip with platinum nanoparticles formed

중심 위성형 금-백금 나노입자의 경우 중심이 되는 금 나노입자에 백금을 환원하는 방식으로 제조하게 되며 중심이 되는 금 나노입자의 경우 다양한 크기로 제조가 가능하다.In the case of platinum nanoparticles, the center gold nanoparticles can be produced by reducing platinum to the central gold nanoparticles. In the case of the central gold nanoparticles, various sizes can be manufactured.

중심 금 나노입자 용액 20 mL에 0.2 M CTAB 용액 20 mL를 첨가하고 교반 후 0.2 M 의 아스코빅산을 추가로 첨가 후 끓을때까지 충분히 가열하여 준다. 그 후 H2PtCl6를 첨가한 후 환원이 충분히 일어나도록 1시간 가량 열을 가해준다. 첨가해 주는 H2PtCl6의 금나노에 대한 무게비에 따라 백금 위성의 양이 결정된다.Add 20 mL of 0.2 M CTAB solution to 20 mL of center gold nanoparticle solution, add 0.2 M ascorbic acid after stirring, and heat well until boiling. After the addition of H2PtCl6, heat is applied for about 1 hour so that the reduction takes place sufficiently. The amount of platinum satellites is determined by the weight ratio of H2PtCl6 to gold nano added.

도 4는 본 발명의 일 실시에 따른 금 나노입자의 전자현미경 이미지와 광학 특성을 나타낸 그래프이다. 이 중 도 4(a)는 제조된 금 나노입자의 광학특성을 나타내는 흡광도 그래프로서, 막대형 금 나노입자가 구형 금 나노입자보다 785 nm 레이저를 사용시 더 적합한 흡광 영역을 가지고 있다는 것을 보여준다. 4 is a graph showing electron microscope images and optical characteristics of gold nanoparticles according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 (a) is a graph showing the optical characteristics of the gold nanoparticles produced, showing that the rod-shaped gold nanoparticles have a more appropriate light absorption area than the spherical gold nanoparticles when using a 785 nm laser.

또한, 도 4(b)에 나타난 바와 같이, 보통 실리콘보다 실리콘 상에 막대형의 금 나노입자가 형성되어 있는 경우에 라만 신호 강도가 더욱 높게 측정되었으며, 또한 막대형의 금 나노입자 상의 시료로부터 측정된 라만 신호의 강도가 실리콘 상의 시료로부터 측정된 라만 신호의 강도보다 높게 측정되었다. 이로부터 금속 나노입자에 의해 라만 신호가 증폭되는 것을 알 수 있다.In addition, as shown in Fig. 4 (b), when the rod-shaped gold nanoparticles were formed on silicon rather than silicon, the Raman signal intensity was measured to be higher, and the measurement was also performed from the gold nanoparticle- The intensity of the Raman signal was measured to be higher than the intensity of the Raman signal measured from the silicon phase sample. From this, it can be seen that the Raman signal is amplified by the metal nanoparticles.

즉, 본 발명은 나노구조 칩 상의 금속 나노입자를 형성함으로써, 시료로부터 나오는 라만 산란 신호를 증폭할 수 있고, 이를 통해 민감하여 생체물질의 변화를 측정할 수 있어, 높은 정확도의 병리 예측이 가능하게 된다.That is, by forming metal nanoparticles on a nanostructured chip, the present invention can amplify a Raman scattering signal emitted from a sample, sensitively detect the change, and measure changes in a biological material, thereby enabling high-accuracy pathological prediction do.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 폐암 조기 진단 센서를 사용하여 정상인과 폐암 환자들의 기관지 세정액으로부터 측정된 라만 산란 신호의 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 5에서 나타나는 특징적인 피크들 중 정상 그래프에 대해 암 환자의 그래프의 차이를 정리한 그래프이다. 해당 특징적인 피크들은 각각 1389 cm-1에서 리피드(lipid), 1581 cm-1에서 DNA/RNA 를 나타내는 등 개별적으로도 의미를 가진다.FIG. 5 is a graph showing a spectrum of a Raman scattering signal measured from a bronchial washing solution of a normal person and lung cancer patients using an early detection sensor for lung cancer according to an embodiment of the present invention. FIG. 6 is a graph showing a spectrum of characteristic peaks This is a graph summarizing the difference of the graph of the cancer patient against the normal graph. These characteristic peaks are individually meaningful, indicating lipid at 1389 cm -1 and DNA / RNA at 1581 cm -1 , respectively.

상기 도 5 및 도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 폐암 조기 진단 센서는, 라만 산란 신호의 파장에 따른 복수의 피크를 비교함으로써, 정상인과 폐암 등의 환자를 구별하는 것이 가능하다.As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the lung cancer early detection sensor of the present invention can discriminate patients such as normal people from lung cancer by comparing a plurality of peaks according to the wavelength of the Raman scattering signal.

상기한 바와 같이, 각각의 피크는 어느 정도 개별적 의미를 가지지만 전체 환자가 똑같은 패턴을 보이는 것은 아니기 때문에 통계처리가 필요하다. 즉, 각 피크를 변수라고 두면 통계처리에서 비교되는 것은 이 변수들의 분산패턴이라고 할 수 있다.As described above, statistical treatment is required because each peak has some degree of individual significance but the entire patient does not exhibit the same pattern. That is, if each peak is set as a variable, then it is a dispersion pattern of these variables that are compared in the statistical processing.

더욱 상세하게는, 본 발명의 폐암 조기 진단 센서는 도 6에 도시된 바와 같이, 수집된 라만 신호에서 특징적인 피크의 차이에 대한 데이터를 수집한다.More specifically, the lung cancer early diagnosis sensor of the present invention collects data on the characteristic peak difference in the collected Raman signal, as shown in FIG.

상기 특징적인 피크는 물질의 원형진동에 의한 455 cm-1부터 DNA/RNA에 의한 1581 cm-1까지 총 16개이나, 이중에 1581 cm-1의 피크는 정상인과 암환자가 차이가 없을 것으로 보고 단지 기관지세척액의 농도 비교로서 사용하며, 폐암 진단에는 단백질에 의한 1450 cm-1까지의 15개의 피크를 사용한다. The characteristic peaks were 16 in total from 455 cm -1 due to the circular vibration of the material to 1581 cm -1 by DNA / RNA, but the peaks of 1581 cm -1 among them showed no difference between normal and cancer patients It is used as a comparison of the concentration of bronchial washing fluid. For lung cancer diagnosis, 15 peaks up to 1450 cm -1 by protein are used.

16개의 peak은 도 5에 존재하는 peak중 455, 486, 553, 763, 817, 884, 890, 1005, 1029, 1125, 1151, 1192, 1249, 1389, 1450, 1581 cm-1에서의 peak을 수치화하여 정상인과 암 환자의 평균낸 값을 정상인을 0으로 잡고 암 환자의 값과의 차이를 나타낸 그래프가 도 6이다. 도 6에서 표시되지 않은 색의 값의 경우는 정상인과 암 환자간의 차이가 없거나 작기 때문에 표시가 나지 않는 경우이다.Quantify the 16 peak is peak in Figure 455 of the peak present in the 5, 486, 553, 763, 817, 884, 890, 1005, 1029, 1125, 1151, 1192, 1249, 1389, 1450, 1581 cm -1 FIG. 6 is a graph showing the difference between the mean value of the normal person and the cancer patient and the value of the cancer patient when the normal person is set to zero. In the case of the color value not shown in FIG. 6, there is no indication because there is no difference between the normal person and the cancer patient or is small.

1581 peak 은 DNA/RNA의 peak 으로서 암 환자의 경우에도 정상인과 마찬가지의 수치를 가질 것이라 예상하여 기준 peak으로 잡는다. 예를들어 암의 경우 세포가 변형되는 이유 등으로 lipid에 의한 peak 인 1389 등은 변할 수 있으나 DNA 레벨에서는 암환자라도 변형이 없기 때문이다. 1581 peak is the peak of DNA / RNA, and it is assumed that the cancer patient will have the same value as the normal person. For example, in the case of cancer, the lipid-induced peak, 1389, may be altered because of cell deformation, but the DNA level is not altered by cancer.

이렇게 기준 peak를 취한 이유는 사용한 샘플이 기관지세척액이며 이 경우 환자마다 다른 농도 값을 가질 수 있으므로 이를 표준화하는 기준 peak가 필요하기 때문이다. The reason for taking the reference peak is that the used sample is a bronchial washing solution. In this case, since the patient may have different concentration values, standard peaks are required for standardization.

상기 기준 peak이 높다면 암에 의한 변형이 아닌 기관지세척액 내의 물질 농도가 높다는 것이므로, 데이터 처리 전에 이 기준 peak에 맞추어 데이터를 나누어 주면 기관지세척액 내의 농도가 모두 같은 조건이라고 할 수 있다.If the reference peak is high, the concentration of the substance in the bronchial washing solution is high rather than being deformed by the cancer. Therefore, if the data is divided according to the reference peak before data processing, the concentration in the bronchial washing solution may be all the same.

즉, 총 16개의 peak에서 기준 peak를 제외하여 총 15개의 peak에 대한 데이터이며, 이를 프로그램 등(통계 전문 프로그램, 선형분석 코드로 짜여진 matlab, C언어 등을 사용한 간이 프로그램 등)을 사용하여 주성분 분석(PCA)을 수행하면 아래 표 1과 같이 15개의 주성분 벡터들을 얻을 수 있다. That is, data for a total of 15 peaks excluding the reference peak at a total of 16 peaks, and it is analyzed by using principal component analysis (statistical program, simple program using matlab and C language formed by linear analysis code, etc.) (PCA), 15 principal component vectors are obtained as shown in Table 1 below.

EigenvalueEigenvalue CumulativeCumulative 1One 9.3519.351 0.62340.6234 22 2.7972.797 0.80990.8099 33 1.1001.100 0.88320.8832 44 0.5660.566 0.92100.9210 55 0.4470.447 0.95080.9508 66 0.1970.197 0.96390.9639 77 0.1600.160 0.97450.9745 88 0.1370.137 0.98370.9837 99 0.1040.104 0.99060.9906 1010 0.0530.053 0.99410.9941 1111 0.0360.036 0.99650.9965 1212 0.0240.024 0.99810.9981 1313 0.0140.014 0.99900.9990 1414 0.0080.008 0.99960.9996 1515 0.0070.007 1.00001.0000

이중 누적치가 0.95 이상이 되도록 고유치가 높은 순서대로 주성분을 선택하면, 5개의 주성분들(5 PC)이 선택되며, 여기에 성별, 흡연여부 및 나이의 3가지 변수를 추가하여 총 8개의 변수로 하여 선형판별 분석(LDA) 변환을 수행하여 암과 정상인이 잘 구분 되는지 판별한 결과 85.71% 의 정확도, 84.21%의 민감도, 87.5%의 특이도를 얻을 수 있었다. When the main component is selected in order of higher eigenvalues so that the cumulative value is more than 0.95, 5 main components (5 PCs) are selected, and three variables such as sex, smoking status and age are added to the total 8 variables A linear discriminant analysis (LDA) was performed to determine whether cancer and normal subjects were well distinguished. The results were 85.71% accuracy, 84.21% sensitivity, and 87.5% specificity.

해당 경우 5개만으로도 95%를 표현할 수 있기 때문이며 데이터의 분포가 산만한 경우 더 많은 주성분이 필요할 수도 있으며, 더욱 정확한 분석을 위하여 5개 이상의 주성분을 사용할 수 도 있다. 예로 상기 표 1의 경우 99% 이상의 정확도를 얻고 싶다면 9개의 주성분을 사용해야 한다.In this case, only 5 of them can represent 95%. If the distribution of data is disturbed, more main ingredient may be needed and more than 5 main ingredient may be used for more accurate analysis. For example, in Table 1 above, if you want to get more than 99% accuracy, you should use 9 main components.

참고로, LDA는 다변량정규분포를 가정하며 미리 나누어진 각 집단에서 측정된 동일한 변수들에 대해 평균벡터(

Figure 112016047735074-pat00001
)와 분산-공분산 행렬(
Figure 112016047735074-pat00002
)을 계산하여 각 관측치와 각 집단까지의 일반화자승거리(generalized squared distance) 함수를 이용하여 집단 내 변동 (분산)에 비해 집단 간 변동의 차이를 최대화하는 예측변수들의 선형판별식을 만들어 개체의 집단을 판별하는데 이용하는 통계 기법 중 하나이다. For reference, the LDA assumes a multivariate normal distribution and uses the mean vector () for the same variables measured in each pre-
Figure 112016047735074-pat00001
) And a variance-covariance matrix (
Figure 112016047735074-pat00002
), And using a generalized squared distance function to each observation and each group, a linear discriminant of the predictive variables that maximize the difference of the inter-group variation compared to the intra-group variation (dispersion) Is one of the statistical techniques used to determine

각 개인을 어느 집단으로 분류할 것인가는 다음과 같다. The following is the classification of each individual into groups.

모형 구축에 사용된 자료의 각 집단의 비율 정보가 사전확률 (prior probability,

Figure 112016047735074-pat00003
)로서, 일반화자승거리계산 시 반영되어 사후확률 (
Figure 112016047735074-pat00004
,
Figure 112016047735074-pat00005
: posterior probability)이 계산되고, 개인별로 각 그룹에 속할 사후확률이 제시되며 사후확률 값이 큰 그룹으로 분류된다. The ratios of each group of data used in the model construction are given by the prior probability,
Figure 112016047735074-pat00003
), Which is reflected in the calculation of the generalized squared distance,
Figure 112016047735074-pat00004
,
Figure 112016047735074-pat00005
: Posterior probability is calculated, posterior probability belonging to each group is presented to individual, and posterior probability value is classified into large group.

도 7은 폐암 환자 16명과 폐암이 아닌 환자 17명, 총 33명의 데이터를 수집하여 나타낸 ROC(Receiver Operation Characteristic) 그래프이다. 상기 ROC 그래프의 아래면적(AUC)이 1에 가까울수록 폐암 진단에 대한 예측력이 높다고 할 수 있다.FIG. 7 is a ROC (Receiver Operation Characteristic) graph obtained by collecting data from a total of 33 patients including 16 lung cancer patients and 17 non-lung cancer patients. The lower the area (AUC) of the ROC graph is closer to 1, the more predictive the lung cancer diagnosis is.

여기에서 모든 가능한 사후확률(posterior probability)에서 구한 민감도와 특이도를 이용하여 ROC 그래프를 그릴 수 있으며, 프로그램을 사용하여 AUC값을 구하였고, Youden의 index에 기반하여 민감도와 특이도가 가장 큰 point를 cutoff value를 정한 결과 해당 point는 0.646으로 정하였다. Here, the ROC graph can be drawn using the sensitivity and specificity obtained from all possible posterior probabilities, and the AUC value is obtained using the program. Based on the index of Youden, the sensitivity and specificity The cutoff value was set to 0.646.

본 발명의 폐암 조기 진단 센서는, 각 환자들의 사후확률을 구하여 상기 cutoff value(0.646)보다 높을 경우 암 환자로 예측하게 되며, 아래 표 2와 같이 6명의 환자에 대하여 실시한 결과 기존 병리진단법으로 음성으로 진단된 환자에 대해서 실제로 암 환자였던 경우 빠른 양성 진단이 가능하였다.The lung cancer early detection sensor according to the present invention predicts cancer patients when the postoff probability of each patient is higher than the cutoff value (0.646). As a result, For patients who were diagnosed with cancer, a rapid positive diagnosis was possible.

NoNo 실제환자 상태Actual patient status 1차 임상 결과Primary clinical outcome 2차 임상 결과Second Clinical Outcome 사후확률(SERS)Posterior probability (SERS) 1One AdenocarcinomaAdenocarcinoma 음성voice 의심suspicion 0.999260.99926 22 Sq. cell ca.Sq. cell ca. 음성voice 확진Confirmed 0.895110.89511 33 Sq. cell ca.Sq. cell ca. 음성voice 음성voice 0.000080.00008 44 Sq. cell ca.Sq. cell ca. 음성voice 음성voice 0.107920.10792 55 Sq. cell ca.Sq. cell ca. 음성voice 음성voice 0.407210.40721 66 Small cell ca.Small cell ca. 음성voice 확진Confirmed 0.998800.99880

즉, 암환자 또는 정상인의 기관지 세척액 샘플에 대한 시험을 시행할 경우, 액상의 시료를 폐암 조기 진단 나노센서를 통해 분석하면, 16개의 라만 peak를 구할 수 있고, 이중 위에서 선정한 5개의 PC 값을 의뢰자의 성별, 연령 및 흡연정보가 추가된 LDA 모형에 입력하면 사후확률이 계산된다. That is, when a test is performed on a bronchial washing liquid sample of a cancer patient or a normal person, 16 liquid Raman peaks can be obtained by analyzing a liquid sample through the lung cancer early diagnosis nanosensor, The posterior probability is calculated by entering the LDA model with sex, age and smoking information.

예를 들어 정상군과 폐암 환자군의 사후확률의 분포가 도 8과 같다고 가정하였을 때, x축의 사후확률의 cutoff value를 어떻게 정의하느냐에 따라 민감도와 특이도가 달라진다. 도 8에서 TP은 True Positive, TN은 True negative, FP는 False Positive, FN은 False Negative를 나타낸다.For example, assuming that the distribution of posterior probabilities of normal and lung cancer patients is as shown in FIG. 8, the sensitivity and specificity are different depending on how the cutoff value of the posterior probability of x axis is defined. In Fig. 8, TP indicates True Positive, TN indicates True negative, FP indicates False Positive, and FN indicates False Negative.

그래서 본 발명에서는 민감도와 특이도의 합이 최대가 되는 point를 찾아 그 값(cutoff value)를 정하고자 하였고(Youden's index), 이때의 사후확률 값이 0.646로 계산되었으며, 이와 같이 계산된 cutoff value를 폐암 여부는 진단 기준으로 사용한 것이다. In the present invention, the cutoff value is determined by finding a point at which the sum of the sensitivity and the specificity becomes maximum (Youden's index), the posterior probability at this time is calculated as 0.646, and the calculated cutoff value Lung cancer was used as a diagnostic criterion.

즉, 사후확률 값이 0.646 이상이면 폐암으로 진단하고, 0.646보다 작은 값이면 정상으로 판단한다.That is, if the posterior probability value is 0.646 or more, it is diagnosed as lung cancer, and if it is smaller than 0.646, it is judged as normal.

더불어, 본 발명의 폐암 조기 진단 센서는 상기와 같은 방법을 통하여 소세포암, 편평세피암, 선암 등 폐암의 종류를 구분할 수도 있고, 폐렴 등 암 이외의 질환도 진단할 수 있다. In addition, the lung cancer early detection sensor of the present invention can differentiate the types of lung cancer such as small cell cancer, squamous cell cancer, and adenocarcinoma through the above-described method, and can diagnose diseases other than cancer such as pneumonia.

본 발명은 상기와 같은 원리를 이용하여 폐암 이외에도 다양한 질병을 진단하는 데 적용될 수도 있을 것이다. The present invention may be applied to diagnosis of various diseases other than lung cancer by using the above-mentioned principle.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 방법에 대해 설명하기 위한 흐름도이다.9 is a flowchart illustrating an early diagnosis method of lung cancer using surface enhanced Raman scattering according to an embodiment of the present invention.

도 9에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 방법은, 먼저 라만 산란 신호를 증폭시키는 금속 나노입자를 실리콘 웨이퍼 상에 고정시킨 나노구조 칩 상에 검체로서 기관지 세척액을 위치시킨다(S101).9, an early diagnosis method for lung cancer using surface enhanced Raman scattering according to the present invention is a method for diagnosing lung cancer early using a surface enhanced Raman scattering according to the present invention. First, on a nanostructured chip on which a metal nanoparticle for amplifying a Raman scattering signal is immobilized on a silicon wafer, The washing liquid is placed (S101).

상기 나노구조 칩 상에 위치시킨 검체에 레이저 조사 장치를 이용하여 레이저 광을 조사한다(S102).The sample placed on the nanostructured chip is irradiated with laser light using a laser irradiation apparatus (S102).

상기 레이저 광에 의해 상기 검체로부터 나오는 라만 산란 신호를 분광기를 이용하여 받아들여 스펙드럼을 수득한다(S103).The Raman scattering signal from the specimen is received by the laser beam using a spectroscope to obtain a spectrum drum (S103).

상기 분광기를 통해 수득된 검체로부터 나오는 라만 산란광의 스펙트럼에 대해 다변량 분석을 수행하여 폐암 진단 등 병리 예측을 수행한다(S104).Multivariate analysis is performed on the spectrum of Raman scattering light from the specimen obtained through the spectroscope to perform pathological prediction such as diagnosis of lung cancer (S104).

이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하져야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, I will understand the point. Accordingly, the technical scope of the present invention should be determined by the following claims.

100 : 폐암 조기 진단 나노센서
110 : 레이저 광 조사 장치
120 : 나노구조 칩
130 : 분광기
140 : 분석부
100: Early diagnosis of lung cancer nanosensor
110: laser light irradiation device
120: Nanostructured chip
130: spectroscope
140:

Claims (7)

표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서에 있어서,
라만 산란 신호를 얻기 위하여 검체에 레이저 광을 조사하는 역할을 수행하는 레이저 조사 장치;
검체에서 나오는 라만 산란 신호를 증폭시키는 금속 나노입자를 실리콘 웨이퍼 상에 고정시킨 나노구조 칩;
검체에서 나오는 라만 산란 신호를 받아들이고, 이로부터 스펙트럼을 수득 및 저장하는 역할을 수행하는 분광기; 및
통계처리된 정상인군 및 폐암환자군의 라만산란신호 스펙트럼을 기반으로 설정된 컷오프값에 대하여, 상기 분광기에서 수득한 스펙트럼을 비교분석하여 폐암 진단을 수행하는 분석부;를 포함하며, 상기 검체는 생리 식염수를 이용하여 기관지를 세척한 기관지 세척액인 것을 특징으로 하는 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서.
In early diagnosis of lung cancer using surface enhanced Raman scattering,
A laser irradiator for performing a function of irradiating a specimen with a laser beam to obtain a Raman scattering signal;
A nanostructured chip in which metal nanoparticles amplifying a Raman scattering signal from a specimen are fixed on a silicon wafer;
A spectroscope that receives a Raman scattering signal from the specimen and performs a function of obtaining and storing a spectrum therefrom; And
And an analyzer for performing lung cancer diagnosis by comparing and analyzing spectra obtained from the spectroscope with respect to a cutoff value set based on the Raman scattering signal spectrum of the statistically treated normal person and lung cancer patient group, Wherein the bronchial washing solution is a bronchial washing solution which has been used to remove bronchial irritation.
제1항에 있어서,
상기 분석부에서 설정된 컷오프값은, 다수의 정상인군과 폐암환자군의 검체로부터 수득한 상기 스펙트럼의 피크 중 DNA/RNA를 나타내는 피크인 기준 피크를 제외한 피크들에 대하여 주성분 분석(PCA: Principal Component Analysis)를 수행하여 주성분 벡터의 고유치(eigenvalue)을 얻는 단계;
상기 주성분 벡터의 고유치 값이 높은 순으로 순차적으로 선택을 하면서, 주성분 벡터의 고유치 값의 누적치가 설정된 값 이상이 되는 주성분 벡터들을 주성분으로 선택하는 단계;
선택된 상기 주성분과 함께 성별, 나이, 흡연여부 중 적어도 하나 이상의 변수를 더 포함하여 선형판별분석(LDA: Linear Discriminant Analysis)을 수행하는 단계;
상기 선형판별분석에서 얻은 검체의 사후확률을 얻는 단계;
정상인군의 사후확률 분포와 폐암환자군의 사후확률 분포로부터 민감도와 특이도가 최대가 되는 컷오프값을 결정하는 단계를 포함하여 결정되는 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서.
The method according to claim 1,
The cut-off value set in the analysis unit is determined by Principal Component Analysis (PCA) on peaks except for a reference peak which is a peak representing DNA / RNA in a peak of the spectrum obtained from a sample of a large number of normal persons and lung cancer patients. To obtain an eigenvalue of a principal component vector;
Selecting principal component vectors that sequentially select eigenvalues of the principal component vectors in descending order and accumulate eigenvalue values of principal component vectors equal to or greater than a predetermined value;
Performing Linear Discriminant Analysis (LDA) further including at least one or more variables selected from the group consisting of gender, age and smoking status together with the selected main ingredient;
Obtaining a posterior probability of the sample obtained in the linear discriminant analysis;
Early detection of lung cancer using surface enhanced Raman scattering determined by including posterior probability distribution of normal subjects and posterior probability distribution of lung cancer patients to determine the cutoff value that maximizes sensitivity and specificity.
제1항에 있어서,
상기 분석부의 폐암진단은, 상기 분광기로부터 얻은 검체의 스펙트럼에 대하여, 스펙트럼의 피크 중 DNA/RNA를 나타내는 피크인 기준 피크를 제외한 피크들에 대하여 주성분 분석(PCA: Principal Component Analysis)를 수행하여 주성분 벡터의 고유치(eigenvalue)을 얻는 단계;
상기 주성분 벡터의 고유치 값이 높은 순으로 순차적으로 선택을 하면서, 주성분 벡터의 고유치 값의 누적치가 설정된 값 이상이 되는 주성분 벡터들을 주성분으로 선택하는 단계;
선택된 상기 주성분과 함께 성별, 나이, 흡연여부 중 적어도 하나 이상의 변수를 더 포함하여 선형판별분석(LDA: Linear Discriminant Analysis)을 수행하는 단계;
상기 선형판별분석에서 얻은 사후확율이 컷오프값 보다 높으면 폐암으로 판단하고, 컷오프값 보다 낮으면 정상으로 판단하는 단계를 포함하는 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서.
The method according to claim 1,
The diagnosis of lung cancer in the analysis unit is performed by performing Principal Component Analysis (PCA) on the spectrum of the specimen obtained from the spectroscope except for the reference peak which is the peak indicating the DNA / RNA in the spectrum peak, To obtain an eigenvalue of the eigenvalue;
Selecting principal component vectors that sequentially select eigenvalues of the principal component vectors in descending order and accumulate eigenvalue values of principal component vectors equal to or greater than a predetermined value;
Performing Linear Discriminant Analysis (LDA) further including at least one or more variables selected from the group consisting of gender, age and smoking status together with the selected main ingredient;
Wherein the lung cancer is judged to be lung cancer if the posterior probability obtained from the linear discriminant analysis is higher than the cutoff value and if the posterior probability is judged to be normal when the cutoff value is lower than the cutoff value, early diagnosis of lung cancer using the surface enhanced Raman scattering.
제1항에 있어서,
상기 금속 나노입자는,
금 나노입자, 은 나노입자 및 구리 나노입자로 이루어진 군에서 선택되어지는 어느 하나이며,
상기 금속 나노입자는, 막대 형태, 구겨진 형태, 중심 위성 형태 중 어느 하나 이상의 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 표면증강라만산란을 이용한 폐암 조기 진단 나노센서.
The method according to claim 1,
The metal nano-
Gold nanoparticles, silver nanoparticles, and copper nanoparticles.
Wherein the metal nanoparticles have at least one of a rod shape, a crumpled shape, and a central satellite shape.
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